KR101270899B1

KR101270899B1 - 임펠러 및 이를 포함하는 원심 압축기

Info

Publication number: KR101270899B1
Application number: KR1020100076399A
Authority: KR
Inventors: 김길영
Original assignee: 엘지전자 주식회사
Priority date: 2010-08-09
Filing date: 2010-08-09
Publication date: 2013-06-07
Also published as: KR20120014376A; US20120034078A1

Abstract

본 발명은 원심 압축기의 임펠러에 관한 것으로서, 회전축에 고정되는 허브; 및 상기 허브의 일면에서 중심부로부터 외측방향으로 연장되는 복수 개의 블레이드를 포함하며, 상기 블레이드의 길이가 상기 블레이드의 입구단에서 출구단까지 연결한 직선 길이보다 큰 임펠러를 제공한다. 여기서, 상기 블레이드의 출구단에서 상기 블레이드의 길이방향을 따라 형성되는 출구 각도를 β(°), 상기 블레이드의 출구단에서 상기 블레이드가 상기 허브의 일면과 이루는 기울기 각도를 γ(°)라 할 때, 임펠러는 하기의 식을 만족한다.
1 ＜ sin(β-20°) + cos(γ-40°) ＜ 1.5

Description

임펠러 및 이를 포함하는 원심 압축기 {IMPELLER AND CENTRIFUGAL COMPRESSOR INCLUDING THE SAME}

본 발명은 원심 압축기에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 고속회전하여 압축매체에 속도에너지를 가하는 임펠러에 관한 것이다.

압축기는 기계적인 에너지를 가하여 기체를 압축하는 장치로서, 냉장고와 같은 공조장치에 냉매 압축을 위해 사용되는 필수적인 장치이다. 압축기의 종류에는 왕복식 압축기, 스크류형 압축기 및 원심 압축기 등이 있다. 이중 고속 회전형인 원심 압축기는 토출 가스가 맥동이 없고, 소형화, 경량화에 유리하여 최근 많이 사용되고 있다.

일반적으로, 냉동기에 사용되는 원심 압축기는 일측에 냉매 유입구가 구비된 케이싱과, 이 케이싱 내부에 설치되어 유입되는 냉매를 압축하는 임펠러(impeller)와, 이 임펠러에 의해 압축된 냉매의 운동에너지를 압력에너지로 전환하는 디퓨저(diffuser)와, 이 디퓨저를 통과한 냉매를 배출덕트로 이송하는 볼류트(volute)를 구비한다. 이러한 원심 압축기의 유입구를 통해 유입되는 냉매는 임펠러와 디퓨저에 의해 압축되고, 볼류트를 지나서 배출덕트를 통과하여 응축기로 이송된다.

상기한 종래의 원심 압축기는 심장이라 할 수 있는 임펠러가 일정한 수의 블레이드(blade)를 구비하고 있으며, 고속 회전에 의해 압축 매체(냉매)에 원심력을 가하기 때문에, 소음을 발생시키는 문제점이 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 소음을 최소화할 수 있는 최적의 형상을 갖는 임펠러 및 이를 구비하는 터보 압축기를 제공함에 그 목적이 있다.

본 발명은 상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 원심 압축기의 임펠러로서, 회전축에 고정되는 허브; 및 상기 허브의 일면에서 중심부로부터 외측방향으로 연장되는 복수 개의 블레이드를 포함하며, 상기 블레이드의 길이가 상기 블레이드의 입구단에서 출구단까지 연결한 직선 길이보다 큰 임펠러를 제공한다. 여기서, 상기 블레이드의 출구단에서 상기 블레이드의 길이방향을 따라 형성되는 출구 각도를 β(°), 상기 블레이드의 출구단에서 상기 블레이드가 상기 허브의 일면과 이루는 기울기 각도를 γ(°)라 할 때, 임펠러는 하기의 식(1)을 만족한다.

1 ＜ sin(β-20°) + cos(γ-40°) ＜ 1.5 ........(1)

또한, 상기 출구 각도(β)는 20° 내지 70°의 범위를 가질 수 있다.

또한, 상기 기울기 각도(γ)는 40° 내지 90°의 범위를 가질 수 있다.

본 발명은 상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 회전축에 고정되어 고속 회전하는 임펠러; 및 상기 임펠러에 의해 증가된 압축 매체의 운동에너지를 압력에너지로 전환하는 디퓨저를 포함하며, 상기 임펠러가 상기 식(1)을 만족하는 원심 압축기를 제공한다.

본 발명의 실시예에 따른 원심 압축기는 출구 각도와 기울기 각도를 기준으로 최적의 형상을 갖는 임펠러를 구비함으로써, 설계의 신뢰도를 높이고, 원심 압축기의 소음을 저감시키는 효과를 구현한다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 원심 압축기를 나타낸 단면도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 임펠러의 사시도이다.
도 3은 블레이드의 출구 각도를 나타내기 위한 임펠러의 정면도이다.
도 4는 블레이드의 기울기 각도를 나타내기 위한 임펠러의 부분 측면도이다.
도 5는 블레이드의 출구 각도(β)와 기울기 각도(γ)와 관련하여 sin(β-20°) + cos(γ-40°) 값에 대한 소음도의 변화를 나타낸 그래프이다.
도 6은 블레이드의 출구 각도에 대한 소음도의 변화를 나타낸 그래프이다.
도 7은 블레이드의 기울기 각도에 대한 소음도의 변화를 나타낸 그래프이다.

이하, 본 발명의 실시예에 따른 원심 압축기에 대하여 첨부한 도면을 참고하여 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 원심 압축기를 나타낸 단면도이고, 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 임펠러의 사시도이며, 도 3은 블레이드의 출구 각도를 나타내기 위한 임펠러의 정면도이며, 도 4는 블레이드의 기울기 각도를 나타내기 위한 임펠러의 부분 측면도이며, 도 5는 블레이드의 출구 각도(β)와 기울기 각도(γ)와 관련하여 sin(β-20°) + cos(γ-40°) 값에 대한 소음도의 변화를 나타낸 그래프이다.

도 1을 참고하면, 본 발명의 실시예에 따른 원심 압축기(100)는 케이싱(10)과, 이 케이싱(10)의 중심을 관통하여 모터에 연결되는 회전축(20)과, 이 회전축(20)에 고정 설치되어 회전함으로써 냉매와 같은 압축 매체를 유입시키는 임펠러(30) 및 이 임펠러(30)와 소정 간격을 유지하면서 배치되어 압축 매체의 운동에너지를 압력에너지로 변환시키는 디퓨저(40)를 포함한다.

케이싱(10)의 일측에는 압축 매체의 유입을 위한 흡입구(12)가 회전축(20)의 길이방향으로 배치된다. 흡입구(12) 측에는 냉매의 흡입 유량을 조절하는 흡입 가이드 베인(Inlet Guide Vane; IGV)(50)이 설치된다. 임펠러(30)의 후방에는 회전축(20)을 지지하는 베어링 부재(60)가 설치된다.

임펠러(30)와 디퓨저(40)에 의해 압축된 냉매는 볼류트(70)를 통하여 배출덕트로 향하게 된다.

상기와 같은 구성의 원심 압축기(100)에서 임펠러(30)는 도 2에 도시된 바와 같이, 회전축(20)에 직접 고정되는 허브(32) 및 이 허브(32)의 일면에 돌출되어 냉매의 흐름을 유도하는 블레이드(34)를 포함한다. 허브(32)는 원판형, 냉매가 유입되는 축방향으로 폭이 증가하는 기둥형 등 다양하게 변형될 수 있다.

복수 개의 블레이드(34)는 허브(32)의 중심부에서부터 방사상으로 소정 간격을 두고 외측으로 연장된다. 각 블레이드(34)는 유선형으로 연장될 수 있으며, 이에 따라, 블레이드(34)의 실제길이(곡선길이)는 블레이드(34)의 입구단(342)에서 출구단(344)까지 연결한 직선 길이보다 크게 형성된다.

이러한 블레이드(34)의 형상은 냉매의 유동에 많은 영향을 미친다. 특히, 블레이드(34)의 출구 각도(β)와 기울기 각도(γ)는 냉매의 유동에 의한 소음발생에 많은 영향을 미치는 인자이다.

여기서, 블레이드(34)의 출구 각도(β)는 도 3에 도시된 바와 같이, 블레이드(34)의 출구단(344)과 허브(32)의 최외각부가 만나는 지점에서, 블레이드(34)의 길이방향(접선방향)과 허브(32)의 접선방향이 이루는 각도를 의미한다. 기울기 각도(γ)는 도 4에 도시된 바와 같이, 블레이드(34)의 출구단(344)에서, 블레이드(34)의 높이방향과 허브(32)의 일면의 접선방향이 이루는 각도를 의미한다.

본 발명의 실시예에 따른 원심 압축기(100)의 임펠러(30)는 블레이드(34)의 출구 각도(β)와 기울기 각도(γ)와 관련하여 다음의 식(1)을 만족한다.

1 ＜ sin(β-20°) + cos(γ-40°) ＜ 1.5 ...........(1)

출원인은 블레이드(34)의 출구 각도(β)와 기울기 각도(γ)가 상기 식(1)을 만족할 때, 임펠러(30)에 의해 발생하는 소음이 최소화된다는 것을 발견하였다.

도 5에 도시된 바와 같이, 블레이드(34)의 출구 각도(β)와 기울기 각도(γ)와 관련하여, sin(β-20°) + cos(γ-40°)의 값이 1 내지 1.5 범위 내에 있을 때, 소음이 저하되는 것을 확인할 수 있다.

도 6은 블레이드의 출구 각도에 대한 소음도의 변화를 나타낸 그래프이고, 도 7은 블레이드의 기울기 각도에 대한 소음도의 변화를 나타낸 그래프이다.

도 6을 참고하면, 블레이드(34)의 출구 각도(β)가 90°에 가까운 경우 블레이드(34)의 출구단(344)에서의 압력이 증가하여 소음도(Blade Passing Frequency; BPF)가 매우 크나, 출구 각도(β)가 70°에서 소음도가 급격히 감소하여 일정수준을 유지한다. 그리고, 출구 각도(β)가 20°보다 작아지는 경우에는 블레이드(34)의 출구단(344)에서의 블레이드의 외면과 내면을 따라 유동하는 냉매의 속도차가 급속히 커지면서 소음도가 다시 증가하게 된다. 따라서, 본 발명의 실시예에 따른 원심 압축기(100)는 출구 각도(β)가 20° 내지 70°의 범위 내의 값을 갖는 것이 바람직하다.

도 7을 참고하면, 블레이드(34)의 기울기 각도(γ)가 40°에서 90°범위 내에서는 소음도가 일정수준 이하로 유지되나, 기울기 각도(γ)가 40°보다 작아지는 경우에는, 블레이드(34)의 외면과 내면을 유동하는 냉매의 속도차가 커져 소음도가 급격히 증가한다. 따라서, 본 발명의 실시예에 따른 원심 압축기(100)는 기울기 각도(γ)가 40°에서 90°범위 내의 값을 가지는 것이 바람직하다.

상기에서는, 1단의 원심 압축기에 대하여 설명하였으나, 본 발명은 이에 한정되지 않으며, 원심 압축기의 단수는 다양하게 변형될 수 있다.

지금까지 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.

10: 케이싱 12: 흡입구
20: 회전축 30: 임펠러
32: 허브 34: 블레이드
40: 디퓨저 50: 흡입 가이드 베인
60: 베어링 부재 70: 볼류트
100: 원심 압축기

Claims

원심 압축기의 임펠러로서,
회전축에 고정되는 허브; 및
상기 허브의 일면에 상기 회전축과 인접한 내측으로부터 외측방향으로 연장되어 설치되는 복수 개의 블레이드를 포함하며,
상기 블레이드의 길이가 상기 블레이드의 입구단에서 출구단까지 연결한 직선 길이보다 크고,
상기 블레이드의 출구단에서 상기 블레이드의 길이방향을 따라 형성되는 출구 각도를 β(°), 상기 블레이드의 출구단에서 상기 블레이드가 상기 허브의 일면과 이루는 기울기 각도를 γ(°)라 할 때, 하기의 식을 만족하며,
1 ＜ sin(β-20°) + cos(γ-40°) ＜ 1.5
상기 출구 각도 β는 20°초과 70°이하의 범위에서 선택되고, 상기 기울기 각도 γ는 40° 내지 90°의 범위에서 선택되는 것을 특징으로 하는 임펠러.
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회전축에 고정되어 고속 회전하는 임펠러; 및
상기 임펠러에 의해 증가된 압축 매체의 운동에너지를 압력에너지로 전환하는 디퓨저를 포함하는 원심 압축기로서,
상기 임펠러는,
상기 회전축에 고정되는 허브; 및
상기 허브의 일면에 상기 회전축과 인접한 내측으로부터 외측방향으로 연장되어 설치되는 복수 개의 블레이드를 포함하며,
상기 블레이드의 길이가 상기 블레이드의 입구단에서 출구단까지 연결한 직선 길이보다 크고,
상기 블레이드의 출구단에서 상기 블레이드의 길이방향을 따라 형성되는 출구 각도를 β(°), 상기 블레이드의 출구단에서 상기 블레이드가 상기 허브의 일면과 이루는 기울기 각도를 γ(°)라 할 때, 하기의 식을 만족하며,
1 ＜ sin(β-20°) + cos(γ-40°) ＜ 1.5
상기 출구 각도 β는 20°초과 70°이하의 범위에서 선택되고, 상기 기울기 각도 γ는 40° 내지 90°의 범위에서 선택되는 것을 특징으로 하는 원심 압축기.
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